Podwójny powab poczwórnej cząstki

9 sierpnia 2021
Blog szalonych naukowców
Model standardowy

W internecie kilka dni temu pojawiła się informacja o odkryciu w CERN kolejnej cząstki: tetrakwarka Tcc+. Można przeczytać, że to egzotyczna cząstka o podwójnie otwartym powabie. Cóż to znaczy?

Ludzie od starożytności zastanawiali się, czy materię da się dzielić w nieskończoność, czy też składa się z niepodzielnych cząstek, najmniejszych jej składników. Ten drugi pogląd zwyciężył. Odkrywszy najmniejsze cząstki zachowujące właściwości danej substancji, nazwano je atomami, przywołując starą nazwę używaną przez Demokryta z Abdery, oznaczającą niepodzielny. Rozwój fizyki pozwolił rozłożyć rzekomo niepodzielny atom, co więcej, okazało się to zadanie dość proste i proces powszechnie występujący. Odkryto protony, neutrony, elektrony, o których uczy się dziś w szkołach.

Kolejne badania ujawniały kolejne cząstki. Jednych się spodziewano – równanie Diraca opisujące elektron ma jeszcze drugie prócz elektronu rozwiązanie. Spełnia je cząstka o identycznej z elektronem masie i pozostałych właściwościach przeciwnych (a więc dodatni zamiast ujemnego ładunek itd.). A inne były zaskoczeniem. Nie zawsze miłym – bo psuły początkową prostotę modelu, wywołując wręcz irytację.

Kto to zamawiał? – pytał jeden z fizyków po odkryciu kolejnej niepasującej do niczego cząstki. Inny, zapytany przez studenta o jakąś rzadką cząstkę, odpowiedział, gdyby potrafił zapamiętać nazwy wszystkich odkrytych ostatnio cząstek, zostałby botanikiem. W początkowo prostym systemie pojawił się bezładny tłum coraz dziwniejszych cząstek, których istnienia nie potrafiono wytłumaczyć.

Próbowano je na różne sposoby uporządkować, wprowadzając dodatkowe liczby kwantowe, takie jak dziwność. W końcu przyszło olśnienie. Otóż cząstki takie jak proton i neutron zachowują się niekiedy, jakby nie były wcale cząstkami elementarnymi, nie miały wewnętrznej struktury, ale były zbudowane z trzech elementów łączonych oddziaływaniem między nimi. Elementy te nazwano kwarkami z uwagi na absurdalny cytat z książki Joyce’a 3 kwarki dla Mister Murka (tak więc słowo kwark pochodzi od niemieckiej nazwy twarogu), a wiążące oddziaływanie nazwano silnym.

To ostatnie miano jest dość trafne, bo nie potrafimy kwarków rozdzielić. Co więcej, oddziaływanie rośnie z odległością. Jeśli będziemy rozszczepiać proton, musimy dostarczać coraz więcej energii. W końcu energia przekroczy pewien próg – dwukrotność masy kwarka – i zgodnie z wzorem Einsteina E = mcc przeistoczy się w masę, generując kolejne cząstki (kwarka i jego antykwarka, czyli jego odpowiednik o tej samej masie i przeciwnych pozostałych właściwościach).

Całe zoo można teraz wyjaśnić, wprowadzając zaledwie kilka kwarków. Proton składa się z dwóch kwarków górnych (u, od up) o ładunku dodatnim +2/3 ładunku elektronu (którego wartość bezwzględną przyjmiemy za 1) i jednego dolnego (d, down) o ładunku -1/3. Neutron – odwrotnie, z dwóch dolnych i jednego górnego. Dzięki temu jego masa jest nieznacznie większa od masy protonu, co czyni ten ostatni trwałym, a nasze istnienie – możliwym.

Właściwość górny/dolny nazwano zapachem. Nie ma ona oczywiście nic wspólnego z węchem, ale jakoś ją nazwać było trzeba. Tak jak inną właściwość kwarka nazwano kolorem, mimo że nie ma nic wspólnego z barwą światła. Może to być mylące, ale pozwala w miarę łatwo tłumaczyć właściwości kwarków. Operując samymi zdaniami typu Bozony cechowania przenoszące dane oddziaływanie utożsamia się z elementami generatora grupy Liego jego symetrii – daleko nie zajdziemy. Obawiam się, że gdyby wypowiadający takie zdania fizyk doznał objawów psychotycznych w postaci formalnych zaburzeń myślenia i zaczął wypowiadać przypadkowe zbitki wyrazów bez żadnego sensu, większość z nas i tak nie odróżniłaby ich od naukowych twierdzeń z tej dziedziny.

Dlaczego kolor? Mamy trzy barwy podstawowe: czerwoną, zieloną i niebieską, które zmieszane razem dają biały. Trzy kwarki w cząstce muszą mieć pełen komplet trzech rodzajów tej nowej właściwości, przypominającej ładunek (określanej nieraz jako ładunek kolorowy). A więc każdy z kwarków w protonie może być czerwony, zielony lub niebieski, przy czym kolory te muszą sumować się do bieli. Powstające w razie rozszczepiania protonu pary kwark-antykwark składają się z kwarku w danym kolorze i antykwarku w jego antykolorze, np. z pary czerwony-antyczerwony (ten ostatni można wyobrazić sobie jako cyjan).

Neutron złożony z kwarków udd

Kolejne cząstki składać się mogą z dalszych generacji kwarków. W pierwszej mamy u i d. W drugiej kwarki powabny (c, charmful), którego długo nie potrafiono wykryć, i dziwny (s, strange), dzięki któremu wyróżnianą kiedyś jako osobną właściwość dziwność cząstki można zredukować po prostu do liczby kwarków s. Do trzeciej generacji należą kwarki nazwane kiedyś prawdziwym i pięknym (true, beautiful), ale tutaj fizycy stwierdzili, że tak wymyślne miana to już przesada, i wprowadzili bardziej przyziemne określenia rozpoczynające się od tych samych liter t i b, tak więc mamy kwark niski (bottom, zwany także spodnim, i tak brzmi lepiej niż denny) i wysoki (top, szczytowy). Ładunki mają w każdej parze odpowiednio +2/3 i –1/3, a masy znacznie większe od masy u czy d. Na tej podstawie ciężkie cząstki składające się z trzech kwarków nazwano barionami (od greckiego słowa oznaczającego ciężki). Pośredniej masy cząstki składające się, jak się okazało, z pary kwark-antykwark nazwano mezonami.

Dalsze badania wykazały, że kwarki mogą tworzyć jeszcze większe, egzotyczne cząstki. Zasada jest taka sama: całkowity kolor musi sumować się do bieli. W akceleratorach wykryto tetrakwarki składające się z czterech kwarków, a nawet pentakwarki (pięć kwarków). Zdarzało się, że cząstkę budowały kwarki powabne, ale towarzyszyły im antykwarki antypowabne, wobec tego całkowity powab był, jak to opisali autorzy, ukryty, gdyż różnica liczba cząstek powabnych – liczba cząstek antypowabnych wynosiła 0. Powab otwarty oznaczałby zaś przewagę 1 cząstki powabnej.

Nowo odkryta cząstka zawiera dwa kwarki c oraz antykwarki u i d. W efekcie jej ładunek sumuje się do +1, a powab do 2. Mamy więc podwójnie otwarty powab. Co więcej, w przeciwieństwie do wcześniej odkrywanych cząstek ten tetrakwark składa się z dwóch kwarków ciężkich i dwóch lekkich antycząstek. Tetrakwarki rozpadają się szybko na parę mezonów. Jednak powstające z rozpadu Tss+ mezony musiałyby się składać z s i lekkiego antykwarka, suma ich mas nie byłaby w istotnym stopniu niższa od masy wyjściowego tetrakwarka (masa cząstki nie jest sumą mas jej składowych, ale zależy w znacznym stopniu od energii scalających cząstkę sił). Większa masa produktów rozpadu czyni go mniej prawdopodobnym, co z kolei zwiększa czas życia wyjściowej cząstki. Nierozpadająca się w ułamku mgnienia oka cząstka stanowi dogodniejszy obiekt badań. Fizycy już się cieszą – choć to tylko kolejne zwierzę w coraz liczniejszym zoo.

Marcin Nowak

Ilustracje:

  • Andrzej Barabasz: Cząstki elementarne modelu standardowego. Za Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
  • Manishearth, kismalac: Oddziaływanie kwarków poprzez ładunek kolorowy w obrębie neutronu. Za Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0